[소재] 고열전도성 CFRP 복합재료 제조 기술
탄소섬유 강화 플라스틱 (CFRP) 복합재의 중량 대비 우수한 강도와 내식성으로 인해 항공 우주 및 자동차 산업에서 전자제품에 이르기까지 다양한 산업에 적용됨에 따라 수요가 급증하고 있다.
일반적으로 CFRP는 탄소섬유와 에폭시 수지로 구성된 prepreg를 적층하여 제조되며, prepreg들이 접합된 복합체는 탄소섬유 강화 플라스틱 고유의 특성으로 인해 판면 방향인 수평 방향으로 높은 열전도성을 가지나, 열전도율이 매우 낮은 에폭시 수지 (Kepoxy = 0.25 W m-1 K-1)에 의해 두께 방향인 수직 방향으로 매우 낮은 열전도성을 가진다.
본 연구에서는 불가사리 표면에서 영감을 받아 graphene/Cu 하이브리드 입자를 제조하여 CFRP의 매우 높은 수직 열전도도를 달성하는 동시에 기계적 특성을 유지하는 복합소재 제조기술을 확보하여 항공 및 자동차 산업에서 높은 열 방출 특성을 구현하는 복합재료로 적용되는 것을 목표로 한다. 이 기술의 핵심은 화학적 처리없이 물리적 결합을 통해 제조된 Graphene/Cu 하이브리드 입자를 prepreg 사이에 손쉬운 스프레이 코팅을 통해 복합소재를 제조하여 제조 시간 및 제조 비용이 절감되며, 적절한 양의 입자 분산액이 균일하게 코팅되기 때문에 층간 접촉하는 과정에서 기계적 결함을 최소화한다. 따라서 새로운 graphene/Cu 하이브리드 입자를 적용하여 낮은 함량을 적용할 시에도 고분자 매트릭스에서 층별로 접촉하여 열 분산 네트워크를 형성함에 따라 복합소재 내 수직방향으로의 열 분산을 가속화하는 기술이다.
[그림 1] (a) 불가사리 표면에서 영감을 받은 graphene/Cu 하이브리드 입자의 제조 공정 (b) graphene-Cu/CFRP 제조공정 및 열 분산 네트워크 형성을 통한 높은 수직 열전도도 구현
Graphene/Cu 하이브리드 입자를 통한 CFRP의 수직 열전도도는 분산액 내 입자의 함량을 최적화를 통해 그림 2와 같이 가장 높은 열전도도를 나태내는 함량을 적용하여 CFRP 내에 열 분산 네트워크를 형성함에 따라 연속적인 열전달 경로를 제공하여 수직 열전도도를 향상시킨다.
[그림 2] Graphene/Cu 하이브리드 입자 비율 최적화를 통한 CFRP의 수직 열전도도 향상
CFRP의 기계적 강도는 그림 3에서 분산액 내 입자의 함량을 최적화를 통해 기계적 강도의 감소를 최소화하는 Graphene/Cu 하이브리드 입자의 함량을 선정하여 CFRC의 기계적 강도를 높게 높게 유지하는 것과 동시에 우수한 수직 열전도도 특성을 구현한다.
[그림 3] Graphene/Cu 하이브리드 입자의 비율 최적화를 통한 CFRP의 기계적 특성 유지
본 기술은 간단한 코팅 공정을 통해 높은 열전도도 특성을 갖는 복합재를 제조하였으며, 입자 적용을 위해 화학적 처리 및 별도의 표면개질 과정이 필요하지 않다는 장점을 가지고 있다. 또한, 소량의 입자를 적용하여 층간 접촉 시 기계적 강도가 손실되는 것을 최대한 억제하고, 복합재 내에 열 분산 네트워크를 형성하여 우수한 수직 열전도도 특성을 구현함으로써 항공 우주 및 자동차 산업의 차세대 복합소재로 사용하는데 기여할 것이다.
[관련 특허] 복합체 및 복합체의 제조 방법 (등록번호: 10-2173036)
[관련 논문] Starfish Surface-Inspired Graphene-Copper Metaparticles for Ultrahigh Vertical Thermal Conductivity of Carbon Fiber Composite. Composites Science and Technology 2020, 199, 108385.
